硅材料：硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中，为1.21电子伏。载流子迁移率较高，电子迁移率为1350平方厘米/伏 .秒，空穴迁移率为480平方厘米/伏 .秒。本征电阻率在室温(300K)下高达2.3×10的5次方 欧 .厘米，掺杂後电阻率可控制在10的4次方～10的负4次方 欧 .厘米的宽广范围内，能满足制造各种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长，在几十微秒至1毫秒之间。热导率较大，化学性质稳定，又易于形成稳定 的热氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜实现PN结表面钝化和保护，还可以形成金属氧化物半导体结构，制造MOS型场效应晶体管和集成电路。上述性 质使PN结具有良好特性，使硅器件具有耐高压，反向漏电流小，效率高，使用寿命长，可靠性好，热传导好等优点。

　　在电脑中我们经常看到MOS器件，那么什么是MOS器件呢？

　　MOS的全文是：Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导体。用氧化膜硅材料制作的场效应晶体管，就叫做MOS型场效应晶体管，既：金属氧化物场效应晶体管。

　　在冬季，当我们把手放在一块木板和放在一块铁板上时，就会感觉到铁板比木板凉，铁板越大，接触的越紧，越感到凉。这说明铁板比木板的散热能力好，而且散热能力与面积，体积，几何形状，以及接触面的紧密程度都有关系。

　　在电脑工作时，芯片晶体管PN结的损耗（任何集成电路芯片都是由N个晶体管组成）产生了温升Ti，它是通过管芯与外壳之间的热阻Rri，无散热片时元件外 壳和周围环境之间的热阻Rrb，元件与散热片之间的热阻Rrc和散热片与周围环境之间的热阻Rrf这四种渠道将热量传走，使温差能够符合元件正常运行的要 求。

　　由于热的传导以流过Rri，Rrc和Rrf三个热阻为主，因此总热阻Rrz可以用下式来表示： Rrz＝Rri+Rrc+Rrf

　　于是当芯片的允许温升和功耗都已经确定了以后，即可定出需要的总热阻Rrz，再从下式中决定散热器的尺寸，这就是我要介绍热阻的目的和它的应用。

　　热阻Rr是从芯片的管芯经外壳，接触面，散热片到周围空气的总热阻Rrz，因此可有下式计算得知。 Ti-Ta=Pc（Rti+Rrc+Rrf）=Pc Rrz Rrz=（Ti-Ta）/Pc 式中：Ti芯片允许的结温，Ta芯片环境周围的空气温度，Pc芯片的热源功率损耗

　　热导系数（又被称作“导热系数”或“导热率”）是反映材料热性能的重要物理量。热传导是热交换的三种（热传导，对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理， 材料科学，固态物理，能源，环保等各个研究领域的课题。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子，分子围绕平衡位置的振动以及 自由电子的迁移。在导电金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。

　　1882年法国科学家傅里叶（J.Fourier）建立了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律的基础上。当物体内部有温度 梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象臂称为热传导。傅里叶指出，在dt时间内通过ds面积的热量dQ，正比于物体内的温度梯度，其比例系 数时导热系数，既： dQ/dt＝-λ .dt/dx .ds 式中dQ/dt为传热速率，dt/dx是与面积ds相垂直的方向上的温度梯度，“-”号表示热量由高温区域传向低温区域，λ是热导系数，表示物体导热能力的大小。在式中λ的单位是W.m负1次方.K负1次方。

　　对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。

　　如果大家对上述的公式看不懂或不太明白（上述属于大学高等物理课程），下面我用通俗的语言表述热导系数。

　　热导系数又称导热系数或导热率。表征物质热传导性能的物理量。设在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行面，而这两个平面的温度相 差1度，则在1秒内从一个平面传导到另一平面的热量就规定为该物质的热导率。其单位为：瓦/（米.摄氏度）,原工程单位制中则为：千卡/（米.小时.摄氏 度），热导率的倒数称为导热热阻。其它条件不变时，热导率愈大导热热阻就愈小，则导热量就愈大；反之则导热量就愈小。

　　通过上述公式和定义可知：芯片散热方式是靠与芯片接触的基板（铜材或铝材）面积与机箱内的温差通过箱内的空气流散热的，这种散热量与基板面积成正比。当机 箱内温度达到一定时，也就失去了散热能力。要想把芯片散发出的热量排走，在常规下只能用强风。所以无风扇静音热管的散热方式，是不可取的。

　　另外根据空气动力学原理（就不列公式了），机箱风扇的安装，风向必须一致，既：前入后出，形成一个风道，才能将箱体内的热量带走，起到散热的目的。

　　根据散热片有效面积(平方厘米)估算温升系数(摄氏度/瓦)公式:℃/W = 50 / Sqrt(Area cm2 )

　　根据已知温升计算散热片的*小有效散热片面积公式:Area [A](cm2) = (50/ (℃/W) )2

　　目前的电子产品主要采用贴片式封装器件，但大功率器件及一些功率模块仍然有不少用穿孔式封装，这主要是可方便地安装在散热器" title="散热器">散热器上，便于散热。进行大功率器件及功率模块的散热计算" title="计算">计算，其目的是在确定的散热条件下选择合适的散热器，以保证器件或模块安全、可靠地工作。

　　小型散热器（或称散热片" title="散热片">散热片）由铝合金板料经冲压工艺及表面处理制成，而大型散热器由铝合金挤压形成型材，再经机械加工及表面处理制成。它们有各种 形状及尺寸供不同器件安装及不同功耗的器件选用。散热器一般是标准件，也可提供型材，由用户根据要求切割成一定长度而制成非标准的散热器。散热器的表面处 理有电泳涂漆或黑色氧极化处理，其目的是提高散热效率及绝缘性能。在自然冷却下可提高10 15%，在通风冷却下可提高3%，电泳涂漆可耐压500 800V。

　　散热器厂家对不同型号的散热器给出热阻值或给出有关曲线，并且给出在不同散热条件下的不同热阻值。

　　任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小，无需散热装置。而大功率器件损耗大，若不采取散热措施，则管芯的温 度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。因此必须加散热装置，*常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散 热风扇，以一定的风速加强冷却散热。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。 散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热器。功率器件安装在散热器上。它的主要热流方向是由管芯传到器件的底部，经散热器将热量散到周围空间。若没有风扇以一定风速冷却，这称为自然冷却或自然对流散热。

　　热量在传递过程有一定热阻。由器件晶片传到器件表面的热阻为RJC，器件表面与散热器之间的热阻为R CS，散热器将热量散到周围空间的热阻为RSA，总的热阻RJA=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的*大功率损耗为PD，并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA，可以按下式求出允许的总热阻R JA。

　　R JA≤（TJ-TA）/PD

　　则计算*大允许的散热器到环境温度的热阻R SA为

　　R SA≤（{T_{J}-T_{A}}\Over{P_{D}}）-（R JC+R CS）

　　出于为设计留有余地的考虑，一般设TJ为125℃。环境温度也要考虑较坏的情况，一般设TA=40℃ 60℃。R JC的大小与管芯的尺寸封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。R CS的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其R CS典型值为0.1 0.2℃/W;若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其R CS可达1℃/W。PD为实际的*大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。这样，R SA可以计算出来，根据计算的R SA值可选合适的散热器了。

　　一功率运算放大器PA02（APEX公司产品）作低频功放，其电路如图1所示。器件为8引脚TO-3金属外壳封装。器件工作条件如下：工作电压 VS为 18V;负载阻抗RL为4 ，工作频率直流条件下可到5kHz，环境温度设为40℃，采用自然冷却。

　　查PA02器件资料可知：静态电流IQ典型值为27mA，*大值为40mA;器件的R JC（从管芯到外壳）典型值为2.4℃/W，*大值为2.6℃/W。

　　器件的功耗为PD：

　　PD=PDQ+PDOUT

　　式中PDQ为器件内部电路的功耗，PDOUT为输出功率的功耗。PDQ=IQ（VS+|-VS|），PDOUT=V^{2}_{S}/4RL，代入上式

　　PD=IQ（VS+|-VS|）+V^{2}_{S}/4RL=37mA（36V）+18V2/4 4=21.6W

　　式中静态电流取37mA。

　　散热器热阻R SA计算：R SA≤（{T_{J}-T_{A}}\Over{P_{D}}）-（R_{ JC}+R_{ CS}}）

　　为留有余量，TJ设125℃，TA设为40℃，R JC取*大值（R JC=“2”.6℃/W），R CS取0.2℃/W，（PA02直接安装在散热器上，中间有导热油脂）。将上述数据代入公式得

　　R SA≤{125℃-40℃}\Over{21.6W}-（2.6℃/W+0.2℃/W）≤1.135℃/W

　　HSO4在自然对流时热阻为0.95℃/W，可满足散热要求。

　　1.在计算中不能取器件数据资料中的*大功耗值，而要根据实际条件来计算;数据资料中的*大结温一般为150℃，在设计中留有余地取125℃，环境温度也不能取25℃（要考虑夏天及机箱的实际温度）。

　　2.散热器的安装要考虑利于散热的方向，并且要在机箱或机壳上相应的位置开散热孔（使冷空气从底部进入，热空气从顶部散出）。

　　3.若器件的外壳为一电极，则安装面不绝缘（与内部电路不绝缘）。安装时必须采用云母垫片来绝缘，以防止短路。

　　4.器件的引脚要穿过散热器，在散热器上要钻孔。为防止引脚与孔壁相碰，应套上聚四氟乙稀套管。

　　5.另外，不同型号的散热器在不同散热条件下有不同热阻，可供设计时参改，即在实际应用中可参照这些散热器的热阻来计算，并可采用相似的结构形状（截面积、周长）的型材组成的散热器来代用。

　　6.在上述计算中，有些参数是设定的，与实际值可能有出入，代用的型号尺寸也不完全相同，所以在批量生产时应作模拟试验来证实散热器选择是否合适，必要时做一些修正（如型材的长度尺寸或改变型材的型号等）后才能作批量生产。

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